二氧化碳(左图以红色和白色表示)是使地球变暖的主要温室气体，并在工业和发电厂的烟气中大量排放。一种从这些烟气中去除 CO2 的新方法包括将排放物通过基于化学三聚氰胺的多孔材料(中心)。DETA 是一种结合在多孔三聚氰胺内部的化学物质，它可以吸附二氧化碳并将其从气体中去除，同时将氮气排放到大气中。
使用一种名为三聚氰胺的廉价聚合物——Formica 的主要成分——化学家创造了一种廉价、简单且节能的方法来从烟囱中捕获二氧化碳，这是和其他国家寻求减少温室气体排放的关键目标.
本周发表在《 科学进展》杂志上的三聚氰胺材料合成工艺可能会缩小规模，以捕获汽车尾气或其他可移动二氧化碳来源的排放。化石燃料燃烧产生的二氧化碳约占产生的所有温室气体的 75%
这种新材料制造简单，主要需要现成的三聚氰胺粉末——如今每吨成本约为 40 美元——以及甲醛和氰尿酸，这是一种在游泳池中添加氯的化学物质。
“我们想考虑一种碳捕获材料，这种材料来源于非常便宜且易于获得的来源。因此，我们决定从三聚氰胺开始，” 加州大学伯克利分校化学与生物分子工程系研究生院教授、该论文的通讯作者之一Jeffrey Reimer说。
所谓的三聚氰胺多孔网络捕获二氧化碳的效率与另一种相对较新的碳捕获材料、金属有机框架或 MOF 的早期结果相当。加州大学伯克利分校的化学家 在 2015 年 创造了第一个这样的碳捕获 MOF ，随后的版本 被证明在去除烟气中的二氧化碳方面更加有效，例如来自燃煤电厂的烟气。
但该论文的第一作者、加州大学伯克利分校博士后毛海燕表示，与大多数 MOF 相比，基于三聚氰胺的材料使用更便宜的成分、更容易制造且更节能。多孔三聚氰胺的低成本意味着该材料可以广泛使用。
“在这项研究中，我们专注于更便宜的捕获和储存材料设计，并阐明 CO 2 与材料之间的相互作用机制，”毛说。“这项工作创造了一种使用多孔网络可持续 捕获CO 2的通用工业化方法。我们希望我们可以设计一种未来的附件来捕获汽车尾气，或者可能是建筑物的附件，甚至是家具表面的涂层。”
这项工作是由 Reimer 领导的加州大学伯克利分校的一个小组合作完成的。斯坦福大学由 Precourt 能源研究所所长、加州大学伯克利分校 Somorjai 访问米勒教授、前加州大学伯克利分校博士后研究员崔毅领导的小组;加州大学伯克利分校研究生院 Alexander Pines 教授;以及由 Hong-Cai Zhou 领导的德克萨斯 A&M 大学的一个小组。唐晶是斯坦福大学和斯坦福直线加速器中心的博士后研究员、加州大学伯克利分校的访问学者，与毛泽东是共同第一作者。
到 2050 年实现碳中和
虽然消除化石燃料燃烧对于阻止气候变化至关重要，但一项主要的临时战略是捕获二氧化碳(主要温室气体)的排放，并将气体储存在地下或将 CO 2 转化为可用产品。能源部已经宣布了总额为 31.8 亿美元的项目，旨在推动先进的商业化碳捕获、利用和封存 (CCUS) 技术，以实现 90% 的雄心勃勃的烟气 CO 2 捕获效率目标。的最终目标是到 2050 年实现净零碳排放。
但碳捕获远非商业可行。当今最好的技术是将烟气通过与 CO 2结合的液态胺进行管道输送。但这需要大量的能量来释放与胺结合的二氧化碳，以便将其浓缩并储存在地下。胺混合物必须加热到 120 至 150 摄氏度(250-300 华氏度)以再生 CO 2。
相比之下，具有 DETA 和氰尿酸改性的三聚氰胺多孔网络 在约 40 摄氏度(略高于室温)捕获 CO 2 ，并在 80 摄氏度(低于水的沸点)释放它。节能来自不必将物质加热到高温。
在其研究中，伯克利/斯坦福/得克萨斯团队专注于常见的聚合物三聚氰胺，它不仅用于 Formica，还用于廉价餐具和器皿、工业涂料和其他塑料。用甲醛处理三聚氰胺粉末——研究人员以千克为单位进行了处理——在三聚氰胺中产生纳米级孔隙，研究人员认为这些孔隙会吸收 CO 2。
毛说，测试证实经过甲醛处理的三聚氰胺在一定程度上吸附了 CO 2 ，但通过添加另一种含胺化学物质 DETA(二亚乙基三胺)来结合 CO 2 可以大大改善吸附。她和她的同事随后发现，在聚合反应过程中添加氰尿酸会显着增加孔径并从根本上提高 CO 2 捕获效率：模拟烟气混合物中的几乎所有二氧化碳在大约 3 分钟内被吸收。
氰尿酸的添加也使材料可以反复使用。
毛和她的同事进行了固态核磁共振 (NMR) 研究，以了解氰尿酸和 DETA 如何相互作用以使碳捕获如此有效。研究表明，三聚氰酸与三聚氰胺网络形成强氢键，有助于稳定 DETA，防止其在碳捕获和再生的重复循环中从三聚氰胺孔隙中浸出。
“海燕和她的同事们能够用这些优雅的技术展示这些基团是如何混合的，CO 2是如何 与它们发生反应的，并且在这种开孔氰尿酸的存在下，她能够循环使用 CO 2 并且以非常好的容量关闭了很多次，”Reimer 说。“相对于其他一些材料，CO 2的 吸附速度实际上相当快。因此，这种用于 CO 2捕获的材料在实验室规模的所有实用方面 都得到了满足，而且它非常便宜且易于制造。”
“利用固态核磁共振技术，我们以前所未有的原子级细节系统地阐明了无定形网络与CO 2反应的机制，”毛说。“对于能源和环境界来说，这项工作创建了一个高性能的固态网络家族，同时对机制有透彻的了解，同时也鼓励了多孔材料研究从试错法向理性、步骤——逐步，原子级调制。”
Reimer 和 Cui 小组正在继续调整孔径和胺基，以提高三聚氰胺多孔网络的碳捕获效率，同时保持能源效率。这涉及使用一种称为动态组合化学的技术来改变成分的比例，以实现有效、可扩展、可回收和高容量的 CO 2 捕获。
Reimer 和 Mao 还与斯坦福大学的 Cui 小组密切合作，
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！